Appunti completi di Efficienza enegetica dei sistemi insediativi
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In questo caso, gli edifici stessi fungono da barriera; è perciò importante vedere la lunghezza degli
edifici, l’altezza, ma anche la profondità (manica). Questi vanno infatti ad influenzare la zona di
calma che si crea dietro agli edifici.
Va perciò esposto l’edificio in modo che la zona di calma sia massima o minima.
Forma dell’edificio
O ancor meglio, la sua compattezza. Dovrà essere compatto in un clima caldo, lungo in un clima
temperato, con corte in un clima caldo secco e con molte aperture in un clima caldo umido.
La forma si definisce con il rapporto S/V (detto anche rapporto di forma). S è la superficie
disperdente dell’involucro degli edifici, e V è il volume lordo dell’edificio. A parità di volume, Se
avrò tanta S rispetto al V, vorrà dire che l’edificio è poco compatto; avere invece un basso rapporto
S/V mi indicherà che l’edificio è molto compatto.
Questo mi indicherà quanto l’edificio è esposto al clima esterno. Nei climi freddi dovrò avere poca
S rispetto all’esterno, stessa cosa vale per i climi caldo-secchi.
Nota: la dispersione termica minima è nell’Igloo. È invece massima nelle villette monofamiliari.
Massimizzare gli apporti solari
Per massimizzare gli apporti solari ci sono più sistemi:
Captazione solare
Accumulo solare
Distribuzione solare
I sistemi passivi invece sono:
Serra addossata a guadagno diretto: Ho una “serra” dove stanno le stanze tecniche (bagni etc.…) su
un lato dell’edificio, che passa il calore nell’abitazione.
Serra addossata a parete d’accumulo: poco utilizzata perché ho una parete chiusa.
Tutti questi sistemi vengono utilizzati in edifici realizzati per essere efficienti.
Minimizzare gli apporto solari
Importante è sfruttare l’inerzia termica delle strutture, cioè la capacità degli edifici di accumulare
calore.
Nei periodi estivi bisogna perciò ridurla, e questo può essere fatto con diverse modalità:
Schermature esterne/interne
Vegetazione schermante
Componenti trasparenti trattati
Componenti opachi 10
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Minimizzare gli apporto interni
Durante le stagioni estive devo stare anche attento agli elettrodomestici e ai dispositivi che creano
calore, riscaldando la casa dall’interno.
Strumenti e metodi per la progettazione bioclimatica
Utilizzeremo il programma ECOTECT.
Era un software creato da Autodesk, oggi integrato a Verter. Essendo creato per la progettazione
bioclimatica degli edifici, dispone di più strumenti.
Posso anche calcolare l’energia che posso produrre con un impianto solare-fotovoltaico.
Esercitazione
Dovremo costruire la geografia del nostro isolato. I dati potranno essere presi i dati pdf del
geoportale Torino, oppure la carta DWG.
Dovrò disegnare gli edifici intorno, così da poter calcolare gli edifici.
Partendo dal DWG dovremo salvare il file da Autocad in DXF, poi andrà importato su Ecotec.
Dopo averla importata nel progetto dovremo selezionare i Weather Data di Torino. Direttamente
su Ecotec faremo poi il 3D degli edifici, con il comando 3D editor, chiudendo poi la linea d
estrudendo la zona (Importante è deselezionare l’opzione griglia quando facciamo la selezione dei
punti).
Andando sulla vista assonometrica correggeremo l’altezza su “object transformation”. Dopo aver
creato la geometria 3D potremo vedere la geometria solare.
Lezione 5
La luce
Dal 1700 in poi i fenomeni naturali vengono spiegati tramite formule matematiche ricavate da
metodi deduttivi (osservazione). Si definiscono così leggi universali che descrivono il fenomeno
della luce:
- Newton
- Huygens
- Fresenel: diverse radiazione con diverse frequenze d’onda
- Young: studio la colorimetria
- Maxwell: onde come fenomeno luminoso con la teoria ondulatoria
- Planck
- Einstein: definisce fotoni quello scoperto da Planck 11
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La luce è un fenomeno che consente di trasmettere energia attraverso quantità discrete (quanti
fotoni di energia ho) ed è un fenomeno che si può spiegare attraverso la teoria delle onde
elettromagnetiche.
Lunghezza d’onda: percorso che ha un’onda elettromagnetica nel compiere un’intera oscillazione,
viene espressa in nano o micro-metri. -1
Frequenza: numero di oscillazioni dell’onda in un’unità di tempo, si esprime in secondi o in Hz.
Velocità C: è la velocità con la quale si propaga l’onda ed è data dal prodotto tra la lunghezza d’onda
e la sua frequenza. 8
La luce si può propagare anche nel vuoto con una velocità di C = 3*10 m/s: propagazione della luce
0
nel vuoto.
Spettro elettromagnetico: definisce tutte le onde in base alla loro lunghezza d’onda, si parte dalle
onde radio lunghe.
La luce ha una lunghezza d’onda che va dai 380 ai 780 nm, all’interno di questo intervallo è possibile
distinguere diversi colori, sotto i 380 si hanno gli ultravioletti e sopra i 780 gli infrarossi.
Flusso energetico: Espresso in Watt, energia in unità di tempo.
Intensità energetica: rapporto tra il flusso energetico emesso da una sorgente in una certa direzione
(unità di angolo solido). Per definire la direzione devo definire uno spazio, ovvero l’angolo solido.
Angolo solido: angolo nello spazio definito da un cono attorno ad una certa direzione, si utilizza lo
2
steradiante per misurare l’angolo, ed è espressa da un’area A e il raggio della sfera.
Anche la luce, come l’energia solare, si può dividere in diretta, riflessa ed assorbita. In base alla
superficie potrò calcolare il fattore di assorbimento.
Il flusso incidente è dato dalla somma tra i flussi assorbiti, riflessi, trasmessi. La somma dei
coefficienti è uguale a 1.
Coefficiente di riflessione e trasmissione in base alla superficie di contatto
Superficie metallica liscia: la luce è speculare, l’angolo di incidenza è uguale a quello di
incidenza.
Superficie corrugata (Es: intonaco): l’energia seguirà la legge del coseno, sarà di tipo diffuso.
Trasmissione diffusa. Non si ha più la riflessione specchiata.
Superficie corrugata a livello macroscopico (Es: mattoni a vista): porta ad avere una
riflessione prismatica complessa, la luce viene riflessa in maniera congruente in relazione
alla corrugazione della superficie
La riflessione dipende anche dal colore della superficie, le superfici chiare riflettono molto al
contrario di quelle scure. 12
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Rifrazione della luce: (Es: remo in acqua, o cannuccia in acqua che sembra che si stia spezzando) da
un punto visivo l’acqua cambia la traiettoria della luce perché questa passa da una superficie
all’altra, passando dall’aria all’acqua, modificando la sua velocità: legge del seno.
Comfort visivo
L’occhio umano ci permette di percepire la luce attraverso una serie di ricettori. È una sfera di circa
2 cm di diametro circondato da una cornea dietro alla quale c’è l’iride, il cristallino (una lente che ci
permette di mettere a fuoco i diversi oggetti) e la retina all’interno di tutto il bulbo, dietro il bulbo
c’è la fovea dove si concentrano i nervi, poi collegati al nervo ottico collegato al cervello che elabora
i dati. I coni sono le terminazioni nervose che consentono la visibilità diurna, mentre i bastoncelli
consentono quella notturna (in scala di grigi, a bassa densità). Il campo visivo è sia orizzontale che
verticale e ha un angolo di 62° rispetto alla normale del nostro viso. Il dettaglio si modifica in base
al dettaglio con cui si vuole vedere l’oggetto.
Dovremo definire come le persone vedono in modo oggettivo. Ogni colore ha una sua radiazione e
una sua lunghezza d’onda. Esiste anche un fattore di visibilità, cioè come le persone percepiscono
le radiazioni con tonalità di colore. Si sono prese diverse tonalità di colore con una intensità
energetica, successivamente si è presa un’altra tonalità ma alla stessa intensità ottenendo il fattore
di visibilità relativo di una determinata tonalità in base ad un coefficiente di visibilità massimo.
Innanzitutto le tonalità vengono percepite diversamente di giorno e di notte. Di giorno (visione
fotopica) il colore dominante è il giallo, in visione notturna (visione scotopica) si vede meglio il verde
con lunghezza d’onda inferiore a alle tonalità diurne; ci si può spiegare con la curva di visibilità
relativa.
Flusso luminoso
Quantità di energia emessa in una unità di tempo, viene però solo contata l’energia luminosa (a
differenza del flusso energetico). Si esprime in “lumen” lm/nm. Per la luce monocromatica (con una
certa lunghezza d’onda) si può dire che attraverso il fattore di visibilità (K), il fattore luminoso è
uguale al prodotto tra il suo fattore di visibilità e la sua lunghezza d’onda.
Intensità luminosa
Come viene emesso il flusso, in tutte le direzioni, ma in particolare in quella che a noi interessa.
Flusso luminoso(lm/nm) / unità di angolo solido = candele (cd)
Luminanza
Serve a rappresentare delle sorgenti luminose non puntali ma superficiali, si andrà così a definire la
densità superficiale d’intensità luminosa. Inoltre è una grandezza vettoriale, tiene conto della
2
posizione dell’osservatore e di come l’osservatore percepisce quella emissione. Si esprime in cd/m
2
o nit (se in cm stil)
Illuminamento 2
È dato dal rapporto tra la quantità di flusso luminoso e la superficie da illuminare: lm/m ma viene
espresso in lux.
Emettenza luminosa: rapporto tra il flusso luminoso emesso e la superficie. 13
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Temperatura di colore correlata
Maggiore è la temperatura del corpo e minore sarà la lunghezza d’onda alle quali sarà assegnata
in maniera univoca una tonalità di colore.
Per definire il comfort visivo devo definire:
La quantità di luce
La distribuzione della luce nello spazio
L’abbagliamento
Il colore della luce
La resa del contrasto
Resa cromatica
La quantità di luce necessaria per avere un certo livello di comfort visivo dipende da tre fattori:
Dalle caratteristiche dell’attività da compiere: con questa definisco l’illuminamento minimo
che deve esserci in un luogo (Es: a scuola, nei corridoi, in ufficio, …)
Dalle caratteristiche del compito visivo (Es: la luce per le sale operatorie sono specifiche per
quel compito)
Dall’attitudine visiva del soggetto
L’uniformità di illuminamento è molto importante, essa deve essere costante ed è data dal
rapporto tra il valore minimo e il valore medio dell’illuminamento.
La luce può essere percepita anche in maniera sgradevole, si parla quindi di abbagliamento.
L’abbagliamento perturbatore è quello tipico degli ambienti esterni quando, appena usciti, per
pochi istanti non si riesce a vedere. L’abbagliamento inoltre potrà essere diretto e riflesso.
Resa del contrasto
Se la luminanza tra due corpi è simile rende meno visibile la distinzione dei due corpi, al contrario
se è eccessivamente differente ho un abbagliamento.
Resa cromatica
Indica i livelli di colori, va da 0 a 100; 100 è la resa del colore del Sole. La resa cromatica dei colori,
è garantita quando una sorgente ha uno spettro di emissione uguale su tutte le lunghezze d’onda.
Se è continua la resa del colore è uguale a quella del Sole.
Lezione 6
Il PRIC
Il cosiddetto Piano Regolatore Illuminazione Comunale è uno strumento di pianificazione a livello
comunale. 14
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Inizialmente, durante gli anni ’70 si voleva solo fare luce, anche per la questione del terrorismo.
Successivamente si inizia a sensibilizzare l’opinione pubblica per quanto riguarda gli impianti ben
fatti, così da ridurre l’inquinamento luminoso.
L’AIDI negli anni ’90 inizia a dare la necessità di fare il PRIC. Inizialmente era però solo opzionale,
finché la Regione lo mise obbligatorio per i comuni più grandi.
Le motivazioni erano:
Piano tecnico: standardizzando gli apparecchi si riducono i costi
Piano economico: si riducono gli sprechi, riducendo le cabine di controllo delle linee.
Rifacendo poi nuovi impianti, questi potevano essere creati già secondo il piano e predisposti per
futuri lavori.
Gli obbiettivi sono:
Sicurezza: inizialmente per il traffico veicolare, ma poi anche per i pedoni/ciclisti. Si
iniziarono ad analizzare i rischi, il colore e livelli della luce.
Miglioramento della qualità ambientale: si inizia a pensare di non disturbare gli abitanti e le
abitazioni, ridurre l’inquinamento luminoso e proteggere i siti naturalistici.
Risparmio energetico: si cerca di utilizzare lampade ad alta efficienza, di avere regolatori del
flusso luminoso.
Arredo urbano e illuminazione decorativa: integrazione formale degli impianti, migliore
fruibilità degli spazi urbani secondo la destinazione urbanistica e illuminare i monumenti.
Nel 2000 il Comune di Torino redige il primo PRIC, dopodiché ne esce una nuova versione nel 2012.
Il nuovo piano aggiunge delle norme per redigere gli impianti e l’adeguamento dell’illuminazione
dei parchi.
Questo piano si adegua al Nuovo Piano Urbano del Traffico e al PUMS. Viene inoltre esteso
all’intorno dei cimiteri e alle aree commerciale e si adegua alle nuove norme UNI.
Metodologia di intervento:
1. Individuazione delle caratteristiche dei luoghi (saranno presenti più figure professionali)
2. Rilievo della situazione esistente
3. Stesura del piano
Per l’individuazione dei luoghi dovrò fare delle ricerche storiche, individuare edifici storici e
monumentali e infine individuare gli eventuali punti caratteristici.
Andranno poi individuati i proprietari degli impianti e guardare quanto sono vecchi gli impianti
presenti. Vanno poi individuate tutte le tipologie degli apparecchi presenti, per cercare di
standardizzarli, così come le tipologie di lampade (potenza, colore, resa, tipo…).
Va anche fatto un rilievo dello stato di emissione, controllando le emissioni verso l’alto.
Il PRIC si attua attraverso:
Progetti di area (Es: quartieri) 15
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Progetti di percorso (Es: corsi e grandi viali)
Progetti puntuali (Es: piazze)
Progetti per le aree verdi
I progetti puntuali si riferiscono soprattutto alle zone storiche.
Vanno anche valutati se sono presenti le zone arboree e l’uso che viene fatto da una certa strada.
Documenti del PRIC:
Relazione tecnica illustrativa
Planimetria stato attuale
Planimetria indicazioni attuali luci
Planimetria con le classificazioni delle zone
Planimetria di progetto
Norme di attuazione
Insieme al PRIC viene anche redatto il Piano dell’illuminazione decorativa.
2015 – Rivoluzione nelle sorgenti luminose
Dal 2015 è iniziato un radicale cambiamento nell’illuminazione notturna di Torino, con
l’introduzione dei lampioni a led da parte di Iren.
Il Led riduce le tipologie di colori luminose, a luce calda e a luce fredda (più efficienti). Si è così deciso
di utilizzare led con tonalità più calde nelle zone storiche e nei controviali, mentre sono a luce
bianche nel resto (così come nei giardini).
Lezione 7
Illuminazione artificiale
Sorgenti luminose
Ci sono varie sorgenti luminose:
Incandescenza
Alogene
Fluorescenza
Combustione
LED
Dal 2009 si è iniziato a dismettere le lampadine a incandescenza, vietandone la vendita, perché
poco efficienti (fatta eccezione per usi specifici).
Sorgenti ad incandescenza
Sono quelle sorgenti che sfruttano il fatto di avere una sorgente ad altissima temperatura, che crea
radiazioni nel visibile. 16
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Le leggi che spiegano questo principio sono: Legge di Plank, Stephan Boltzmann, Wien (in particolare
la seconda).
Il tungsteno è uno dei materiali scelti per queste sorgenti, perché permette di emettere più
radiazioni nel visibile.
Come sono fatte:
Bulbo di vetro: in cui dentro c’è il vuoto
Filamento in tungsteno: che permette di raggiungere altissime temperature
Conduttori e sostegno del filamento
Attacco a vite
Funzionamento:
1. Il tungsteno viene percorso da una corrente elettrica
2. Il metallo si surriscalda ed emette radiazione visibile
3. I gas inerti all’interno del bulbo ritardano la sublimazione del filamento
4. Il tungsteno che sublima si deposita sulle pareti della lampadina
5. Ogni volta che ciò accade, il filamento si assottiglia, fino alla rottura.
Durano circa 1000 ore.
Sorgente alogene
Sono l’evoluzione delle lampadine a incandescenza. Il bulbo è in quarzo e di dimensioni ridotte
rispetto a quelle ad incandescenza. Dura quindi molto più di quelle a incandescenza, ma sono
comunque a bassa efficienza.
Dentro il bulbo ci sono sostanze alogene (normalmente iodio e bromo).
Funzionamento:
1. Il filamento di tungsteno, ad incandescenza, sublima
2. I vapori di tungsteno migrano verso la parete del bulbo
3. Il tungsteno combina con gli alogeni, creando degli alogenuri
4. Gli alogenuri, quando si avvicinano al filamento ad alte temperature, si dissociano e
rilasciano il tungsteno sul filamento, rigenerandolo.
Sorgenti a scarica
L’atomo è schematizzato come un nucleo intorno al quel orbitano gli elettroni, ogni orbita indica
un livello energetico. Quando si somministra una quantità di energia, l’elettrone compie un salto
orbitale e si sposta di livello. Questa condizione di eccitazione è instabile, e non appena l’energia
viene meno gli elettroni tornano alla sua condizione originale.
Quando l’elettrone torna al suo posto libera dell’energia. Questo funzionamento è spiegato dalla
Legge di Planck.
Funzionamento: 17
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1. Il tubo di scarica è un piccolo tubo con degli elettrodi sigillati al suo interno e riempito da
una miscela di gas, tra cui un metallo
2. La scarica elettrica applicata agisce sugli elettrodi e quindi sugli elettroni liberi nel gas
3. Il movimento degli elettroni provoca delle collisioni con gli atomi di metallo, dando luogo
ad una ionizzazione (innesco della scarica), e il salto orbitale degli elettroni, che emettono
poi energia per tornare in equilibrio
4. La scarica è trasferita dal gas al metallo, che la mantiene
Sorgenti a scarica fluorescenti
Sono fonti luminose con un funzionamento simile al precedente, ma che contengono uno strato di
materiale fluorescente (per esempio fosfori). Questo materiale permette di trasformare tutte le
radiazioni ultraviolette in radiazioni visibili (aumentano così l’efficienza).
Le sorgenti a scarica hanno differenti lunghezze d’onde in base al gas presente. Le sorgenti a sodio
ad alta pressione sono quelle che permettono di avere maggiori frequenze e lunghezze d’onda.
Sorgenti fluorescenti
È lo stesso principio precedente. Queste sorgenti sono poi state miniaturizzate piegandole. In alcuni
casi sono anche stati arrotolati e dotati di una vite per la lampadina.
Altre sorgenti sono:
Sorgenti a scarica a vapori di mercurio ad alta pressione
Sorgenti a scarica a vapori di alogenuri metallici: qui c’è una serie di additivi che permette
uno spettro d’emissione più continuo
Sorgenti a scarica a vapori di sodio a bassa pressione
Sorgenti a scarica a vapori di sodio ad alta pressione: ha un numero di collisioni maggiori,
permette di aumentare le lunghezze d’onda
Sorgenti ad induzione
Hanno lo stesso principio che sfrutta la legge di Planck. La differenza sta nel fatto che la scarica
avviene attraverso un generatore ad alta frequenza. Ciò crea un campo elettromagnetico che
provoca le collisioni dell’atomo di metallo.
Queste lampadine sono state studiate per aumentare la durata della sorgente.
LED
Essi non hanno elementi in movimento, e ciò porta ad avere una durata molto maggiore rispetto
alle altre.
Sono composti da:
Strato positivo: di materiale semiconduttore, con gli elettroni di valenza
Strato negativo: //
In mezzo c’è lo strato attivo: attraverso ciò si provoca un movimento di elettroni, che
ricombinandosi emettono energia
Funzionamento: 18
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1. Abbiamo un diodo, in cui uno strato è caricato positivamente, e un substrato caricato
negativamente
2. In mezzo abbiamo uno strato attivo
3. Quando arriva la tensione ai due strati, all’interno dello strato attivo gli elettroni e ioni si
ricombinano emettendo energia e luce
La durata si attesta circa sulle 100'000 ore.
Vantaggi del LED:
È una sorgente molto piccola e ferma
Posso localizzarla ovunque
Aumento della durata
Grande compattezza della sorgente luminosa
Abbiamo sorgenti di più tonalità di colore
Basso consumo
Caratterizzazione delle sorgenti luminose
1. Flusso luminoso
2. Efficienza luminosa
3. Durata
4. Tempo di accensione e riaccensione
5. Decadimento flusso luminoso
6. Indice resa cromatica
7. Temperatura del colore
1.Flusso luminoso
Tiene conto anche di come l’occhio vede la sorgente naturale.
Le luci alogene per esempio hanno un maggior flusso luminoso, perché hanno potenza maggiore.
Così come quelli a vapore di mercurio, che sono paragonabili a quelle a vapori di sodio a bassa
pressione.
In quella ad alta pressione aumenta il flusso minimo, mentre quelle con il flusso maggiore in
assoluto sono quelle a ioduri metallici.
I LED sono modulabili, quindi basterà modificarne il numero.
2.Efficienza luminosa
Le più efficienti sono quelle a vapori di sodio a bassa pressione, ma hanno il problema che fanno la
luce gialla, per questo sono state a lungo utilizzate per l’illuminazione stradale.
Tutte le tecnologie per migliorare la qualità dalla luce, tendono a ridurre un po’ l’efficienza.
L’efficienza luminosa nei LED è abbastanza alta. 19
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3.Durata media
Molto importante perché influenza il costo di manutenzione degli impianti. Si va dalle 1000 ore
delle lampade ad incandescenza, alle 3000 ore di quelle alogene. Le sorgenti a scarica invece sono
più durature, in particolare quelle a vapori di mercurio, che vanno fino a 22000 ore.
Nei LED arriva anche a 100000 ore.
4.Tempo di accensione-riaccensione
Mentre nelle sorgenti ad incandescenza è immediata, in quelle a scarica non è così.
5.Decadimento del flusso luminoso
È circa del 30% durante la vita utile della fonte.
Nei LED dipende soprattutto dalla qualità di produzione.
6.Resa cromatica
Parte da un valore 100, che è la resa della luce solare (resa perfetta). Le sorgenti ad incandescenza
hanno resa anch’esse di 100. La resa è peggiore è nel vapore di sodio ad alta pressione, che è di 20-
40. Gli ioduri metallici invece sono su 80-85, che se è migliorata va sopra gli 85. La resa cromatica
nei LED è pari a 93.
7.Temperatura di colore correlata
È difficile definire un colore in modo oggettivo, perché la luce cambia il colore percepito. Si usa
perciò la temperatura di colore correlata, che è la temperatura (in gradi K°) a cui corrisponde un
colore. Le sorgenti ad incandescenza hanno temperatura alta, le alogene sono più bianche
(temperature più basse). Gli alogenuri metallici vanno dai 3000 ai 6000 K°.
Nei LED la temperatura di colore è variabile.
Parametri che caratterizzano gli apparecchi
I parametri sono:
Indicatrice di emissione: definisce come l’apparecchio emette luce nelle diverse direzioni
Rendimento luminoso: una sorgente luminosa, all’interno di un apparecchio, modifica la sua
resa. Questo perché l’energia viene dissipata dentro l’apparecchio
Grado di protezione: in particolare alla polvere e all’acqua
L’efficienza luminosa: l’inquinamento luminoso è dato dalla luce rilasciata verso l’atmosfera
Esercitazione 2
Andranno analizzati il PRIC e confrontato con il quartiere della nostra abitazione.
Vetustà impianti
Anomalie tra PRIC e realtà
Tipologie sorgenti luminose 20
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Tipologie apparecchi
Classificazione strade secondo il PUT
Flusso disperso verso l’alto (esiste sia lo stato di fatto che quella progetto)
Passare da una categoria stradale ad una categoria illuminotecnica.
Io associo ad ogni strada delle caratteristiche illuminotecnica.
Vanno anche calcolati i gradi giorno.
Lezione 8
Termodinamica
I padri della termodinamica furono:
Carnot: scoprì la seconda legge della termodinamica
Joule: scoprì l’equivalenza calore-lavoro, è infatti impossibile arrivare ad un rendimento del
100%
Kelvin: scoprì che non è possibile trasformare completamente tutto il calore in lavoro
meccanico
Clausius: scoprì che il calore non può passare spontaneamente da un corpo freddo a uno
caldo
Boltzman: scoprì le strutture di trasformazioni prima che l’esistenza degli atomi venne
accettata
Cos’è la termodinamica?
È una scienza che tratta le varie forme di energia, gli scambi di massa fra sistemi, le sue
trasformazioni.
Sistema termodinamico
Si definisce così il sistema termodinamico: “quantità di materia che scambia energia e massa con
l’ambiente esterno”. Ciò che separa il sistema dalla parte esterna è detta superficie di controllo.
Queste superficie può essere reale (una superficie) o immaginaria (aria).
Il sistema termodinamico una volta che subisce modificazioni scambia il suo stato interno.
Tipi di sistemi:
Sistemi aperti: sistemi che scambiano energia e massa con l’ambiente esterno (Es: edificio)
Sistemi chiusi: sono i sistemi che scambiano energia ma non massa con l’ambiente esterno
(Es: pentola a pressione)
Sistemi isolati: sistemi che non scambiano né massa né energia (Es: un termos ideale)
Sistemi adiabatici: sistemi che scambiano massa con l’esterno, ma non energia 21
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Lo scambio di energia può avvenire tramite scambio di:
Calore: quando c’è una differenza di temperatura tra il sistema termodinamico e l’ambiente
esterno. Per convenzione il calore è positivo quando è fornito dall’esterno verso il sistema.
Lavoro: è uno scambio di energia indotto da una forza che va a modificare una superficie di
controllo tra il sistema e l’ambiente esterno. Per convenzione è positivo se viene prodotto
dal sistema verso l’esterno.
Una volta che il sistema scambia queste due componenti, cambia il proprio stato. Questa variazione
può essere definita tramite varie grandezze, dette variabili di stato o funzioni di stato (sono per
esempio: pressione, temperatura…). Queste si dividono in:
Variabili termodinamiche estensive: dipendono dalla massa del sistema, rispettano legge
additiva.
Variabili termodinamiche intensive: non dipendono dalla massa del sistema, non rispettano
la legge additiva.
Il volume per esempio è una variabile estensiva, così la massa e l’energia. Il calore è invece una
variabile intensiva, così come la pressione, temperatura e tutte quelle variabili estensive riferite
all’unità di massa (le cosiddette “grandezze specifiche”).
Quando definiamo un sistema termodinamico, vogliamo conoscere lo stato di trasformazione del
sistema, oppure le condizioni che portano il sistema da A a B.
Il sistema si dice in equilibrio termodinamico quando è contemporaneamente in:
Equilibrio meccanico: non ho particelle in movimento
Equilibrio chimico: non ho reazioni chimiche all’interno del sistema
Equilibrio termico: non ho flussi termici all’interno del sistema
Quando il sistema è in equilibrio termodinamico le variabili intensive sono distribuite
uniformemente in tutti i punti del sistema.
Capendo le reazioni inoltre, posso definire le equazioni di stato. Queste ci permetteranno di capire
come cambia lo stato di un sistema (ad esempio fornendo una certa quantità di calore).
Es: P*V= n RT
Variabili di stato
Temperatura: è una variabile di stato intensiva. Viene definita come l’energia cinetica posseduta
da tutte le molecole che costituiscono un sistema.
Si misura per via indiretta, utilizzando poi una scala. Per esempio in un termometro a mercurio vedo
l’altezza del mercurio che potrò leggere con una scala. Noi utilizziamo la scala Centigrada, in
termodinamica si utilizza la temperatura assoluta, espressa in gradi Kelvin. 22
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Si dice che la temperatura 0 gradi assoluti corrisponde allo stato delle molecole con energia cinetica
pari a 0.
La temperatura è tarata su:
Fusione del ghiaccio: 0°C ad un 1 atmosfera (atm).
Ebollizione acqua distillata: 100 °C, ad 1 atm.
Per passare da °C a °K si fa: T(°K) = °C + 273,15.
1 grado centigrado corrisponde quindi a 1 °K.
I paesi anglosassoni invece utilizzano la temperatura Fahrenheit, che utilizza sempre le stesse tare,
ma che pone a 32°F lo scioglimento del ghiaccio e 212°F l’ebollizione.
T(°F) = 9/5*T(°C)+32
Energia interna (U): è data dalla somma di tutte le energie cinetiche e potenziali delle molecole che
costituiscono il sistema. Queste energia è espressa in Joule (J).
Energia interna specifica (u): è possibile passare dall’energia interna a questa, che aumenta con
l’aumentare della temperatura. Si ottiene dividendo U per la massa u= U/m
Si esprime in J/Kg.
Entalpia (H): rappresenta il contenuto energetico che un sistema termodinamico può scambiare
con un ambiente esterno, si esprime in Joule. Dipende dalla massa e dal contenuto di energia legato
alla massa scambiato, ed è il contenuto energetico potenziale che un sistema aperto può scambiare
con l’esterno. Anch’essa dipende dalla temperatura (e della temperatura interna), è una grandezza
estensiva.
Si ottiene con H= U + p * V
Entalpia specifica (h): si ottiene dividendo H per la massa h= H/m si esprime in J/Kg.
Variabili di trasformazione
Consentono di passare da uno stato all’altro
Lavoro (L): è un trasferimento di energia che viene associato ad una forza che comporta uno
spostamento della stessa direzione della forza. La forza compie un lavoro solo se produce uno
spostamento nella stessa direzione. Si esprime in Joule. L= F * s
È positivo se è prodotto dal sistema termodinamico verso l’esterno.
La potenza meccanica invece è il lavoro effettuato in un’unità di tempo, si esprime in Watt.
Calore (Q): è una forma di energia che consente di passare da un sistema termodinamico ad un
altro. È l’energia scambiata da uno sistema all’esterno quando c’è una differenza di temperatura.
Lo strumento per calcolarlo è il Calorimetro. L’unità per misurare il calore è la kilocaloria. 23
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La kilocaloria è formata da 1Kg di acqua. Si dice che il calore corrisponde ad una Kcal quando il
calore di quell’acqua viene riscaldata di un grado centigrado.
Una Kcal corrisponde a 4186 J (in termodinamica non si usano le Kcal).
Anche qui posso parlare di calore scambiato in un’unità di tempo ottenendo quindi i Watt.
Capacità termica (C): è la capacità di un corpo di accumulare calore. È data dal rapporto tra il calore
e la sua differenza di temperatura, cioè il calore necessario a far aumentare la temperatura di un
corpo di 1°C. C= Q/ΔT
È una variabile estensiva, si misura in J/°C o J/°K.
Calore specifico (c): è il calore necessario a far aumentare un Kg di un grado. Si ottiene dividendo la
capacità termica per la massa.
Potere calorifico: in un materiale individua qual è il calore estraibile da un materiale, attraverso la
combustione completa dell’unità di massa di quel materiale. Qualsiasi materiale bruciando produce
calore; ci sono materiali combustibili che creano una notevole quantità di calore.
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Viene espresso in calore per unità massa o volume HC= Q /M = MJ/m o MJ/Kg
comb comb
N.b: MJ= Mega joule.
In una caldaia… Q= M *HC*η
comb Cald
Ogni materiale ha il suo potere calorifico, ci sono perciò diverse tabelle in cui sono segnati.
I principi della termodinamica
Primo principio: La conservazione dell’energia.
“Nulla si crea, nulla su distrugge, tutto si trasforma”. L’energia non si genera ma si trasferisce e si
trasforma.
Ogni sistema termodinamico, quando scambia calore e lavoro con l’ambiente esterno, cambia il suo
stato, cioè la propria quantità di energia interna.
Equivalenza calore-lavoro= energia (J)
Flusso termico e potenza termica= Watt
Non ci sono limiti alla conversione del calore in lavoro.
Sistema chiuso: la quantità di calore Q ceduta al sistema dev’essere uguale all’aumento della
temperatura interna U. La somma di Q ceduto e L compiuto dev’essere uguale all’aumento
di U.
Sistema aperto: la quantità di calore Q ceduta ad un sistema deve essere uguale all’aumento
dell’energia interna U del sistema stesso.
Secondo principio: trasformazione dell’energia 24
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Tutto il lavoro può essere trasformato in calore, ma non viceversa. Inoltre, il calore passa
spontaneamente da un corpo caldo ad uno freddo.
Ci sono perciò dei vincoli sulla trasformazione dell’energia. Ogni volta che l’energia si trasforma,
questa si degrada, questo perché tutti i processi naturali sono irreversibili e impediscono al sistema
termodinamico di ritornare in modo spontaneo alla situazione di partenza.
Maggiore sarà la temperatura alla quale io fornisco il calore, maggiore sarà la qualità dell’energia,
cioè riuscirò ad estrarre più lavoro. La qualità dell’energia posso misurarla con il rendimento di
secondo principio.
In una scala, in cima ci sarà il lavoro, dopodiché l’energia elettrica e dopo il calore ad alta
temperatura.
Motori o macchine termiche
Sono macchine con un processo ciclico che mi permettono di trasformare il calore (energia termica)
in lavoro meccanico.
Macchine termiche a ciclo diretto:
Questi motori ricevono calore da una sorgente ad alta temperatura, e hanno l’obbiettivo di avere
calore. Queste macchine però disperdono una quota di calore nell’ambiente esterno, che è un
“pozzo a bassa temperatura” (Es: dissipatori).
Macchine termiche a ciclo indiretto:
Questi motori prendono il calore da un ambiente più freddo e lo immettono in uno più caldo.
Naturalmente questo è impossibile, per funzionare infatti necessitano di una fonte di lavoro.
Sono per esempio i frigoriferi e le pompe di calore.
Rendimento (η)
Mi forniscono il beneficio su spesa. Non valuto perciò la qualità dell’energia, ma solamente il
beneficio rispetto alla spesa.
DESCRIZIONE APPUNTO
Appunti completi e revisionati di Efficienza enegetica dei sistemi insediativi della professoressa Guglielmina Mutani. Contiene anche informazioni utili per le esercitazioni da fare durante l'anno.
Argomenti principali:
Grandezze del clima esterno; il clima come elemento di progetto e il ruolo del verde; fondamenti di energetica; fondamenti di bioclimatica; metodi di valutazione dell'ecompatibilità sulla progettazione microurbana; fondamenti di acustica; inquinamento acustico negli insediamenti urbani, mitigazione e zonizzazione; fondamenti di illuminazione e Piano Regolatore dell'illuminazione Comunale (PRIC).
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I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Edo_Boo di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Efficienza energetica dei sistemi insediativi e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Torino - Polito o del prof Mutani Guglielmina.
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